03 第3讲 能量之源——光与光合作用-备战2022年高考生物二轮复习三板斧之三——生物计算

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必会知识 考点梳理拓展延伸易错警示
必会知识一 光合作用的过程
1．光合作用的结构——叶绿体
(1)分布：叶绿体主要分布在植物的叶肉细胞和嫩茎的表皮细胞中。
(2)结构示意图
结构eq \s\d1(\b\lc\{(\a\al(外表：双层膜,内部\b\lc\{(\a\al(基质：有暗反应需要的酶，少量DNA、RNA和无机盐等,基粒：由类囊体堆叠而成，增大了膜面积，其上分布着与捕获光能, 有关的色素和光反应所需的酶)))))
(3)功能：进行光合作用的场所
2．光合作用的概念：绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
3．光合作用完整过程图解
光合作用的总反应式：
4．光反应与暗反应的比较：
生物学中同位素标记实验总结
分泌蛋白的合成与运输：氢的同位素—3H标记亮氨酸或H2O
光合作用碳循环(卡尔文循环)：碳的同位素—14C标记糖类或CO2
DNA是噬菌体的遗传物质：磷的同位素—32P标记DNA；硫的同位素—35S标记蛋白质
基因探针(DNA分子杂交、RNA分子杂交)：将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作为标记，以此作为探针，使探针与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，就表明重组成功。
单克隆抗体：利用同位素标记的单克隆抗体，在特定组织中成像的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。如果把抗癌的单克隆抗体跟放射性同位素、化学药物或细胞毒素相结合，制成生物导弹，注入体内借助单克隆抗体的导向作用，能将药物定向带到癌细胞所在位置，在原位杀死癌细胞。
光合作用产生的氧气来源于水：氧的同位素—18O标记H2O
验证DNA的半保留复制：氮的同位素—15N标记核苷酸。
必会知识二 影响光合作用的因素
1．内部因素
(1)与植物自身的遗传特性有关，以阴生植物、阳生植物为例，如图1所示。
(2)植物叶片的叶龄、叶面积指数也会影响光合作用，如图2、3所示。
2．其他因素对光合作用速率的影响
3．多因素对光合速率影响的分析
多因素对光合速率影响的曲线变化规律分析如图所示，P点前，限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因素不再是限制光合速率的因子，要想继续提高光合速率，可适当提高图示中的其他因子的强度。PQ间的主要因素有两个：一是横坐标表示的因素，二是多条曲线上标注的因素。
必会知识三 光合作用的相关计算
1．植物的“三率”
2．光合作用的昼夜变化曲线的分析
③NA和EP：清晨和傍晚光照较弱，光合作用强度小于细胞呼吸强度；植物体内有机物的总量减少，环境中CO2量增加，O2量减少。
④A点和E点：光合作用强度等于细胞呼吸强度，CO2的吸收和释放达到动态平衡；植物体内有机物的总量不变，环境中CO2量不变，O2量不变。
⑤A~E：光合作用强度大于细胞呼吸强度；植物体内有机物的总量增加；环境中CO2量减少，O2量增加。
⑥C点：叶片表皮气孔部分关闭，出现“光合午休”现象。
方法2：一昼夜有机物的积累量=白天固定的CO2量-24 h呼吸作用释放的CO2量，即多边形NBCDP的面积-矩形OMQF的面积＝(S2＋S3)－(S1＋S2＋S4)=S3－(S1＋S4)。
注：方法1中用的是净光合作用量，方法2中用的是总光合作用量。
3．密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线
(2)图中各点含义及形成原因分析：
AB段：无光照，植物只进行呼吸作用。
BC段：温度降低，呼吸作用减弱。
CD段：4时后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度<呼吸作用强度。
D点：随光照增强，光合作用强度＝呼吸作用强度。
DH段：光照继续增强，光合作用强度>呼吸作用强度。其中FG段表示“光合午休”现象。
H点：随光照减弱，光合作用强度下降，光合作用强度＝呼吸作用强度。
HI段：光照继续减弱，光合作用强度<呼吸作用强度，直至光合作用完全停止。
4．光合速率和呼吸速率的相关计算。
光合作用方程式：6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O。
有氧呼吸方程式：C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量。
(1)光合作用释放6 ml O2需要消耗12 ml H2O。
(2)光反应阶段，12 ml H2O光解产生24 ml [H]，在暗反应中用于还原6 ml CO2，并产生6 ml H2O。
(3)每分解1 ml C6H12O6，需要消耗6 ml O2，产生6 ml CO2。
(4)光合作用和呼吸作用的综合计算
①光合作用实际O2产生量=实测的O2释放量+呼吸作用O2消耗量。
②光合作用实际CO2消耗量=实测的CO2消耗量+呼吸作用CO2释放量。
③光合作用C6H12O6积累量=光合作用实际C6H12O6生成量－呼吸作用C6H12O6消耗量。
必会知识四 模型法分析外界条件骤变时光合作用中各物质量的变化
1．分析方法
(1)需在绘制光合作用模式简图的基础上借助图形进行分析。
(2)需从物质的生成和消耗两个方面综合分析。如CO2供应正常、光照停止时C3的含量变化：
2．叶绿体处于不同条件下，C3、C5、[H]、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
模型法分析光合作用过程中物质的量的变化
在以上各物质的含量变化中，C3和C5含量的变化是相反的，若C3含量增加，则C5含量减少；[H]、ATP和C5的含量变化是一致的，都增加，或都减少。
光合作用光反应产生的ATP主要用于暗反应阶段，不能用于叶绿体以外其他生命活动，其他生命活动所需ATP只能来自细胞呼吸。
光反应产生的[H]为NADPH(还原型辅酶Ⅱ)，细胞呼吸产生的[H]为NADH(还原型辅酶Ⅰ)。
必备技能 典例精讲模型秒杀巧思妙解
必备技能一 光合作用的过程
[例1]如图为叶绿体的结构与功能示意图，下列说法错误的是( )
[例2]下面是光合作用和细胞呼吸过程中产生[H]的细胞器及[H]的来源和用途的比较，其中正确的是( )
A．①② B．②③
C．②④ D．③④
必备技能二 影响光合作用的因素
[例3]甲图表示某植物叶肉细胞光合作用强度与光照强度的关系，乙图表示该植物叶肉细胞的部分结构(图中M和N代表两种气体)。据图判断，下列说法正确的是(注：不考虑无氧呼吸)( )
A．甲图中的纵坐标数值对应乙图中的m4
B．甲图中c点时，乙图中有m1＝n1＝m4＝n4
C．甲图中e点以后，乙图中n4不再增加，其主要原因是m1值太低
D．甲图中a、b、c、d、e任意一点，乙图中都有m1＝n1>0，m2＝n2>0
[例4]对农作物光合作用和细胞呼吸的研究，可以指导我们的农业生产。下面是某研究小组以番茄为材料所做的相关实验及其结果，请回答下列问题：

(1)由图甲可推知，与P点相比，Q点限制单株光合作用强度的外界因素是_______________(写出两种)，甲实验给我们的启示是在栽培农作物时要注意__________。
(2)种植番茄的密闭大棚内一昼夜空气中的CO2含量变化如图乙所示。C～F段，叶绿体内ADP含量最高的地方是________，叶绿体内O2的含量将________，一昼夜内植株是否显示生长现象？并说明理由。
_____________________________________________________________________________。
图乙给我们的启示是在密闭大棚内种植作物时要注意__________________。
(3)将对称叶片左侧遮光、右侧曝光(如图丙)，并采用适当的方法阻止两部分之间的物质和能量的转移。在适宜光照下照射12小时后，从两侧截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为a和b(单位：g)。则b－a所代表的是______________________________________________。
(4)装置丁(如图丁)可用来探究光照强度对光合作用强度的影响。根据该图的材料及设置，可以确定该实验的因变量应该是________________________，而自变量可以是__________；无关变量有______________________(写出两种)。
必备技能三 光合作用的相关计算
[例5]莲藕是广泛用于观赏和食用的植物，研究人员通过人工诱变筛选出一株莲藕突变体，其叶绿素含量仅为普通莲藕的56%，图1表示在25℃时不同光照强度下该突变体和普通莲藕的净光合速率，图2中A、B分别表示某光照强度下该突变体与普通莲藕的气孔导度(单位时间进入叶片单位面积的CO2量)和胞间CO2浓度。请分析回答下列问题。
(1)提取和分离莲藕叶片中叶绿体内的色素，使用的试剂分别是_____________。突变体与普通莲藕相比，经过纸层析法分离色素，在滤纸条上哪两种颜色的色素带将会变窄？____________。
(2)莲藕切开后极易褐变，这是由细胞内的多酚氧化酶催化相关反应引起的。将切好的莲藕在开水中焯过后可减轻褐变程度，原因是________________________________。
(3)在2000μml·m-2·s-1的光强下，普通莲藕的总光合速率为__________μml·m-2·s-1。
(4)CO2被利用的场所是叶绿体基质，因为此处可以为CO2的固定提供____________。据图2判断，突变体莲藕在单位时间内固定的CO2多，请写出判断的依据_____________。
[例6]图甲表示在一定条件下测得的某植物光照强度与光合速率的关系；图乙表示该绿色植物的细胞代谢情况；图丙是某兴趣小组将植物栽培在密闭玻璃温室中，用红外线测量仪测得的室内二氧化碳浓度与时间关系的曲线。请分析回答：
(1)图乙所示的该植物细胞代谢情况可用图甲中a～d四点中的________表示，也可用图丙e～j六个点中的________表示。
(2)在光照强度大于________klx时，植物才会表现出生长现象。
(3)若图甲曲线表示该植物在25 ℃时光照强度与光合速率的关系，并且已知该植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25 ℃和30 ℃，那么在原有条件不变的情况下，将温度提高到30 ℃，理论上分析c点将________(填“左移”“右移”或“不变”)。
(4)由图丙可推知，密闭玻璃温室中氧气浓度最大的是________点。
必备技能四 模型法分析外界条件骤变时光合作用中各物质量的变化
[例7]离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2的供应，短暂时间内叶绿体中C3化合物与C5化合物的相对含量的变化是( )
A．C3化合物增多，C5化合物减少
B．C3化合物增多，C5化合物增多
C．C3化合物减少，C5化合物增多
D．C3化合物减少，C5化合物减少
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1．图1为光照强度一定时，大豆植株在不同O2浓度下，CO2吸收速率的变化曲线，其中甲曲线表示空气中CO2浓度为a时测得的结果，乙曲线表示空气中CO2浓度为b(b(1)据图1所示，随着O2浓度的升高，大豆植株对CO2的吸收速率逐渐________，这种影响在外界CO2浓度较________时对大豆的生存构成的威胁更大。因此在农业生产上，我国古代人民就提出要“正其行，通其风”，结合曲线图，分析其原因：____________________。
(2)图1中曲线的形成除了与光合作用有关外，还与植物的________有关。
(3)图1中A点代表的生理意义是___________________________________。
(4)实验表明：在强光下，O2参与叶绿素与类胡萝卜素的光氧化，从而影响光合作用的光反应阶段，使其产生的________减少。
(5)图2所示，当光强度为c时，限制光合作用速率的外界因素是_________________。
(6)综合两图，要提高大豆产量，所需的最适外界条件是适宜光照、较高CO2浓度、________和________。
2．小杂粮营养丰富，既是传统口粮，又是保健食品资源，随着人民生活水平的提高和膳食结构的改善，小杂粮作为药食同源的新型食品资源，在现代绿色保健食品中占有重要地位。为了确定小杂粮作为林果行间套种作物的适宜性，实验小组通过田间试验和盆栽试验，测定了全光和弱光(全光的48%)条件下两个小杂粮品种的光合作用特性，结果如下表所示。请据表回答以下问题：
(1)分离小杂粮叶肉细胞中的色素采用的方法是____________，类胡萝卜素分布在叶绿体的____________上。
(2)由实验结果可知，在弱光条件下，两个品种的小杂粮叶肉细胞中叶绿素的含量均增加，其意义是叶肉细胞通过增加____________的含量来增强对光能的吸收，以适应____________环境。
(3)分析表格中数据可知，遮光会降低小杂粮的最大净光合速率，从暗反应的角度分析，其原因是____________________________________。
(4)若弱光条件下小杂粮品种B的净光合速率为0，则在相同条件下，小杂粮品种A的千重会____________(填“增加”、“不变”或“降低”)，理由是小杂粮品种A的____________低于品种B的，当小杂粮品种B处于光补偿点时，小杂粮品种A的光照强度____________(大于或小于)光补偿点，其净光合速率大于0，会积累有机物，因此小杂粮品种____________(填“A”或“B”)对弱光的适应能力更强。
3．某研究小组为探究低浓度NaHSO3溶液对水稻光合速率的影响，进行了相关实验：取若干株型、长势、叶片均一的水稻植株平均分为两组，每天傍晚分别将蒸馏水、1 mml/L NaHSO3喷洒在两组水稻叶片上，次日上午测定光合速率，结果如图1所示，研究小组进一步实验，用0.2 μml/L 硫酸甲酯吩嗪(PMS)替代1 mml/LNaHSO3进行相关实验，结果如图2所示；用0.2 μml/L硫酸甲酯吩嗪和1 mml/L NaHSO3混合进行相关实验，结果如图3所示，回答下列相关问题：
(1)图1对应实验的自变量是_________，通过图1实验数据可以得出的结论是______。
(2)据图可知，0.2 μml/L硫酸甲酯吩嗪(PMS)和1 mml/L NaHSO3对水稻光合作用的效应_____(填“相同”或“不同”)，两者之间_____(填“存在”或“不存在”)累加效应。
(3)从资料中检索到硫酸甲酯吩嗪(PMS)的使用增加了叶片内叶绿体形成 ATP 的能力和光合放氧量，其作用部位是_______，其上发生的能量转换是_____________。
(4)若要证明NaHSO3的作用机理与硫酸甲酯吩嗪(PMS)相同，至少应检测施用NaHSO3组叶片中的____________，并与_______________组中相关指标相比较。
4．莲是广泛用于观赏和食用的植物，研究人员通过人工诱变筛选出一株莲突变体，其叶绿素含量仅为普通莲的 56%。图 1 表示在 25ºC 时不同光照强度下该突变体和普通莲的净光合速率。图 2 中 A、B 分别表示某光照强度下该突变体与普通莲的气孔导度(单位时间进入叶片单位面积的CO2量)和胞间CO2浓度。请分析回答下列问题。
(1)在2 000 Lux的光强下，突变体莲的光合作用固定CO2的速率为________________。
(2)据图2分析，在该光照强度下________(填“普通”或“突变体”)莲在单位时间内固定的CO2多，判断依据是____________________________________________________________。
(3)图 3 是莲叶片光合作用和细胞呼吸过程的示意图，图中②、③代表的物质依次是_________________、_______________，[H]代表的物质是__________。CO2被利用的场所是 ________，因为此处可以为CO2的固定提供________。
(4)下图表示莲叶片细胞的生物膜上发生的化学变化，其中含有叶绿素的是________(填字母)，其名称是_____________________，代表线粒体内膜的是______(填字母)。
5．小麦和玉米是我国北方地区普遍种植的农作物。一般情况下，在相对较弱光照条件下，小麦叶片的光合作用强度比玉米高；随着光照强度的提高，小麦叶片的光合作用强度不再增加时，玉米叶片的光合作用强度仍会继续提高。造成该现象的原因是玉米叶肉细胞的暗反应途径能够利用细胞间隙较低浓度的CO2继续进行光合作用。某生物兴趣小组的同学利用小麦和玉米为材料开展了一系列实验，验证了不同因素对光合作用的影响，实验过程或结果如图所示。请分析回答下列问题：
(1)该小组分别测定了两种作物不同年龄叶片中，部分无机盐离子及其他物质的含量变化，如图甲所示，其中能反映Mg2+在小麦和玉米叶片中含量变化的曲线是_____________，判断依据是____________。
(2)该小组将刚切下的小麦和玉米叶片，分别放入温度和光照强度均较高的密闭环境中，定时测定相对光合作用强度的变化，并绘成如图乙所示曲线。其中能够代表玉米的是曲线 _________ (填图中字母)；分析该曲线变化的原因：_____________。
(3)该小组测定了小麦和玉米叶片在一定的CO2浓度和适宜温度条件下，光合作用强度随光照强度的变化，如图丙所示。
①当光照强度为Y时，小麦光合作用制造的有机物是玉米的 ____________倍；当光照强度为Z时，小麦光合作用制造的有机物是玉米的___________倍。
②假定一昼夜中白天光照时间为12 h，当光照强度为Y时，__________ (填作物名称)一定不能正常生长，原因是____________。
③该小组某同学，在分别测定小麦和玉米叶片的实际光合速率时，设置了如下图所示的装置，其中的CO2缓冲液能够维持密闭小室中CO2浓度的相对稳定。该同学__________(填“能”或“不能”)实现实验目的，理由(或建议)是________________。
6．桑树是我国常见树种，铅(Pb)是毒性较强的重金属元素。科学家研究Pb2+胁迫对桑树光合作用的影响，设计如下实验:采集某林场优良土壤并添加不同量的Pb2+，其中A～F组依次添加Pb2+0、250、500、750、1000、1250mg/kg，分别培养生长状况相同的桑树苗，30天后分别测定桑树苗的叶绿素含量、气孔导度、胞间CO2浓度、净光合速率等，实验结果如下。
(1)本项研究中科学家测定叶绿素含量的方法是将桑叶切成极细的细丝置于小试管中，试管中加入后_____，于_________(填“黑暗”或“光照”)条件下密封12小时，测定提取液在________(填“红光”或“蓝紫光”)下的吸光值，进而计算出叶绿素的含量。实验中不使用另一种光质测定吸光值的原因是________。
(2)由图1实验结果分析，Pb2+对叶绿素的含量的影响是________。
(3)据实验结果分析，随Pb2+胁迫水平升高，净光合速率下降的原因_______(填“是”或“不是”)气孔限制，判断依据是_____。预测在高Pb2+胁迫水平下，桑树光合作用的光饱和点会下降，原因是________。
比较项目
光反应
暗反应
过程
模型
实质
光能转换为化学能，并放出O2
同化CO2形成有机物(酶促反应)
时间
短促，以微秒计
较缓慢
条件
色素、光、酶、水、ADP、Pi
多种酶、ATP、[H]、CO2、C5
场所
在叶绿体内的类囊体薄膜上进行
在叶绿体基质中进行
物质
转化
(1)水的光解：2H2O 4[H]+O2；
(2)ATP的合成：ADP+Pi+能量 ATP
(1)CO2的固定：CO2+C52C3；
(2)C3的还原：2C3(CH2O)+C5
能量
转化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
关系
(1)光反应为暗反应提供[H]和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi；
(2)没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成；
(3)光反应是暗反应的物质和能量准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段
图1
图2
图3
因素
图像及原理分析
关键点及线段
应用
光
照
强
度
光照强度通过影响光反应速率，影响ATP及[H]的产生速率，进而影响暗反应速率
①A—细胞呼吸强度，B—光补偿点，C—光饱和点；
②AC段，光合作用速率随光照强度的增加而增加；
③C点后光合作用速率不再随光照强度的增加而变化；
④阴生植物的B点前移，C点较低，如图中虚线所示
间作套种时农作物的种类搭配、林带树种的配置等都是这一原理的具体运用
温
度
温度通过影响酶的活性进而影响光合作用速率(主要是暗反应)
①B点对应的温度为最适生长温度；
②AB段，随温度升高光合作用速率升高；
③BC段，随温度升高光合作用速率降低
①冬天利用温室大棚提高温度，促进植物生长；
②温室中，增加昼夜温差，减少夜晚有机物的消耗，有利于有机物的积累
CO2
浓度、
矿质
离子
浓度
CO2浓度影响暗反应中CO2的固定，矿质离子影响与光合作用有关的色素、酶、膜结构的形成
①AB段，随CO2浓度或矿质离子浓度的增加光合作用速率升高；
②B点后，随CO2浓度的增加光合作用速率不再升高；
③B点后，随矿质离子浓度的增加光合作用速率下降(细胞失水)
①增加大田中的空气流动，以增加CO2浓度；
②温室中可使用CO2发生器，以增加CO2浓度；
③合理施肥，补充土壤中的矿质元素
水分

水既是光合作用的原料，又是化学反应的媒介
图中OA段，随着水分增加，光合速率增加。
根据作物的需水规律，合理灌溉
真光合速率
O2产生(生成)速率
CO2固定速率
有机物产生(制造、生成)速率
净(表观)光合速率
O2释放速率
CO2吸收速率
有机物积累速率
呼吸速率
黑暗中O2吸收速率
黑暗中CO2释放速率
有机物消耗速率
(1)曲线解读
①MN和PQ：夜晚植物只进行细胞呼吸；植物体内有机物的总量减少，环境中CO2量增加，O2量减小。
②N~P：光合作用与呼吸作用同时进行。
⑦E点：光合作用产物的积累量最大。
(2)一昼夜有机物的积累量(用CO2表示)的计算方法
方法1：一昼夜有机物的积累量=白天从外界吸收的CO2量－晚上呼吸作用释放的CO2量，即S3－(S1+S4)。
项目
条件
C3
C5
[H]和ATP
(CH2O)合成量
光照不变停止CO2供应
减少
增加
增加
减少或没有
光照不变CO2供应增加
增加
减少
减少
增加
光照不变，CO2供应不变，(CH2O)运输受阻
增加
减少
增加
减少
停止光照CO2供应不变
增加
下降
减少或没有
减少或没有
突然光照CO2供应不变
减少
增加
增加
增加
A．结构A中的能量变化是光能转变为ATP中的化学能
B．供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2→C3→甲
C．结构A释放的氧气可进入线粒体中
D．叶绿体中的色素主要分布于类囊体腔中
细胞器
来源
用途
①
叶绿体
水的分解
还原二氧化碳
②
叶绿体
水的分解
还原三碳化合物
③
线粒体
丙酮酸的分解
与氧结合生成水
④
线粒体
葡萄糖和丙酮酸的分解
与氧结合生成水
品种
处理
最大净光合速率(umlCO2·m-1s-1)
光补偿点(ml·m-3·s-1)
叶绿素含量(mg·g-1)
气孔导度/2(mlH2O·m-3·s-1)
A
全光组
14.99
45.9
2.29
0.22
弱光组
9.59
30.7
4.36
0.12
B
全光组
16.16
43.8
2.88
0.16
弱光组
8.85
41.7
3.21
0.09